林草復(fù)合系統(tǒng)削減滇池流域農(nóng)業(yè)面源污染研究

陳 澍，荊文濤，祖艷群，陳建軍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

林草復(fù)合系統(tǒng)削減滇池流域農(nóng)業(yè)面源污染研究

陳 澍，荊文濤，祖艷群，陳建軍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

林草復(fù)合系統(tǒng)；地表徑流；TN；TP；SS；滇池流域

2013年6—9月在試驗(yàn)地進(jìn)行了自然降雨條件下的田間試驗(yàn)，目的是分析滇池流域面山墾殖區(qū)3種種植模式下的徑流、泥沙流失量和養(yǎng)分流失情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示：黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式地表徑流流失量為0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為1.83、0.17、3.37 mg/m2；黑麥草+苜蓿的牧草單作模式地表徑流流失量為0.84 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為2.51、0.25、4.21 mg/m2；桃樹(shù)單作地表徑流流失量為0.92 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為2.69、0.26、4.10 mg/m2。結(jié)果表明黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作種植模式削減農(nóng)田地表徑流和徑流污染的效果較好。

農(nóng)田徑流污染是指農(nóng)田地表沉積物與大氣沉降物等在降水的淋溶和沖刷作用下，擴(kuò)散性地進(jìn)入水體，造成地表水環(huán)境質(zhì)量下降的過(guò)程[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)湖泊50%以上的氮、磷來(lái)自農(nóng)業(yè)面源污染[2]，農(nóng)田徑流污染已成為河流、湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源。由于污染物的大量排入，使得滇池已成為水體富營(yíng)養(yǎng)化程度最嚴(yán)重的湖泊之一。滇池流域總氮和總磷負(fù)荷中農(nóng)業(yè)污染貢獻(xiàn)率分別達(dá)到33%～53%和30%～58%，構(gòu)成了非點(diǎn)源污染中氮、磷的主要來(lái)源[3-4]，因此采取有針對(duì)性的農(nóng)業(yè)面源污染防治措施是解決滇池水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。作物種植模式對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物的產(chǎn)生和運(yùn)移有著重要影響，合理的種植模式可以有效削減農(nóng)田地表徑流和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失[5-10]，通過(guò)改變種植模式控制農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。

林草復(fù)合系統(tǒng)作為農(nóng)林復(fù)合的一個(gè)重要組成部分被廣泛應(yīng)用，其生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益是林草復(fù)合模式研究的熱點(diǎn),特別是林草復(fù)合模式對(duì)林產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量的影響、對(duì)水土流失的控制作用、其地下根系對(duì)土壤的改良作用，以及對(duì)環(huán)境生物的影響等[11]，而關(guān)于林草復(fù)合系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的削減效果方面的研究成果很少。為此，本研究重點(diǎn)分析了林草復(fù)合系統(tǒng)對(duì)滇池流域農(nóng)田地表徑流量與徑流中氮、磷等養(yǎng)分流失量的影響，以期為滇池治理提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)小區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于昆明市官渡區(qū)寶象河流域大板橋鎮(zhèn)大東沖村，屬滇池流域面山墾殖區(qū)。試驗(yàn)地為坡耕地，在坡耕地上修建了9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流觀測(cè)小區(qū)，各小區(qū)基本情況見(jiàn)表1。在每個(gè)小區(qū)下坡向開(kāi)挖一個(gè)集水池，用以收集(用 PVC 管引入集水池)并測(cè)量各小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的降雨徑流量。

表1 徑流小區(qū)基本情況

2013年5月初在試驗(yàn)地種植黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagosativaLinn.)。種植模式為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式(JZ)、黑麥草+苜蓿的牧草單作模式(DZ1)和桃樹(shù)單作模式(DZ2)，不同種植模式的種植規(guī)格見(jiàn)表2。各小區(qū)所施肥料品種相同，分別為農(nóng)用硝酸銨鉀(全水溶速效氮鉀肥)，每100 kg含氮(N)≥20%、鉀(K2O)≥10%(含硝酸鉀)；

表2 不同種植模式的種植規(guī)格

粉狀過(guò)磷酸鉀，有效磷(P2O5)≥16%。于2013年5月初種植黑麥草、苜蓿，種植當(dāng)日施用農(nóng)用硝酸銨鉀和粉狀過(guò)磷酸鉀，并于7月29日進(jìn)行追肥，每個(gè)小區(qū)施肥、追肥量均為1 kg(農(nóng)用硝酸銨鉀500 g、粉狀過(guò)磷酸鉀500 g)。

2 試驗(yàn)方法

水樣的采集密度為每場(chǎng)降雨后采集一次，以雨停后6 h內(nèi)未再降雨作為一場(chǎng)降雨。 2013 年6—9月試驗(yàn)地發(fā)生降雨產(chǎn)流的共有9次，分別為6月27日、7月12日、7月19日、7月28日、8月2日、8月9日、8月13日、8月22日、8月30日降雨，降雨量分別為15.6、17.2、26.8、35.8、11.0、9.2、30.2、6.8、29.2 mm。根據(jù)2006年國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室編制的《防汛手冊(cè)》，7月19日、7月28日、8月13日、8月30日降雨強(qiáng)度較大，屬?gòu)?qiáng)降雨。

水樣分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)。采樣時(shí)將集水桶中的水和泥沙攪拌均勻，取中間部分水樣，每次采集500 mL。采樣后立即運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室，放入冰箱冷藏保存，于7 d內(nèi)完成測(cè)定。水體固體懸浮物(SS)采用烘干稱重法，水樣用0.45 μm玻璃纖維微孔濾膜過(guò)濾后進(jìn)行TN、TP的測(cè)定，TN 采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定。以TN、TP、SS濃度乘以單位面積地表徑流量得到TN、TP、SS單位面積流失量，用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

(1)農(nóng)田地表徑流量。一般來(lái)說(shuō)降雨量的大小會(huì)直接影響徑流產(chǎn)生量，降雨量越大，徑流量也越大，降雨經(jīng)過(guò)土壤滲透，多余的部分便會(huì)形成徑流流出，造成水土流失進(jìn)而產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染[12]。上述9次降雨中，在相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式的地表徑流流失量要小于黑麥草+苜蓿的牧草單作模式和桃樹(shù)單作模式(圖1)。不同種植模式下的平均產(chǎn)流量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)0.74 mL/m2、黑麥草+苜蓿0.84 mL/m2、桃樹(shù)單作0.92 mL/m2。

圖1 不同種植模式下地表徑流量

相比黑麥草+苜蓿、桃樹(shù)單作，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)減少?gòu)搅髁糠謩e提高了11.9%、19.6%。

(2)農(nóng)田地表徑流SS流失量。9次降雨徑流中SS流失量最大的是6月27日、8月13日降雨。相同降雨強(qiáng)度條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式的SS流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹(shù)單作模式(圖2)。不同種植模式下農(nóng)田地表徑流SS平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)3.37 mg/m2、黑麥草+苜蓿4.21 mg/m2、桃樹(shù)單作4.10 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹(shù)單作，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)減少地表徑流SS平均流失量分別提高了20.0%、17.8%。

圖2 不同種植模式下地表徑流SS流失量

(3)農(nóng)田地表徑流TN流失量。9次降雨中，TN流失量以7月28日降雨徑流TN流失量最大，其次是8月2日降雨產(chǎn)流。相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式的TN流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹(shù)單作模式(圖3)。不同種植模式下TN平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)1.83 mg/m2、黑麥草+苜蓿2.51 mg/m2、桃樹(shù)單作2.69 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹(shù)單作，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)減少地表徑流TN平均流失量分別提高了27.1%、32.0%。

圖3 不同種植模式下地表徑流TN流失量

(4)農(nóng)田地表徑流TP流失量。9次降雨中，TP流失量以8月13日降雨徑流TP流失量最大，其次是7月19日降雨產(chǎn)流。相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式的TP流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式及桃樹(shù)單作模式(圖4)。不同種植模式下的TP平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)0.17 mg/m2、黑麥草+苜蓿0.25 mg/m2、桃樹(shù)單作0.26 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹(shù)單作，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)減少地表徑流TP流失量提高了32.0%、34.6%。

圖4 不同模式下地表徑流TP流失量

4 討 論

4.1 不同作物種植模式對(duì)農(nóng)田面源污染的影響

針對(duì)不同農(nóng)業(yè)種植區(qū)和農(nóng)業(yè)類型，采取合理的農(nóng)業(yè)種植模式能夠有效削減農(nóng)業(yè)面源污染。大量研究表明，林草復(fù)合模式能夠有效攔截降水，減少地表徑流，提高土壤涵養(yǎng)水源的能力，在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中起到了重要的作用[13-16]。林草間作模式削減農(nóng)業(yè)面源污染主要是通過(guò)植被的地上和地下兩部分共同實(shí)現(xiàn)：地上部分的作用主要是截留降雨，削減降雨動(dòng)能，減少降雨侵蝕力，增加地表糙度，降低徑流對(duì)地表沖刷能力等；地下部分的作用主要體現(xiàn)在根系增強(qiáng)土壤抗沖性能和改善土壤結(jié)構(gòu)等方面[17-19]。試驗(yàn)中桃樹(shù)與黑麥草、苜蓿間作種植，牧草覆蓋地面的能力較大，并且隨著牧草的生長(zhǎng)，數(shù)量眾多、發(fā)達(dá)的須根系統(tǒng)形成縱橫交錯(cuò)的根網(wǎng)，對(duì)截?cái)嗟乇韽搅餍Ч黠@。降雨過(guò)程中一部分雨滴降落在桃樹(shù)樹(shù)冠上，其大部分動(dòng)能被消耗，抑制了雨滴對(duì)地表的直接濺蝕，附著于桃樹(shù)樹(shù)冠和莖干上的雨水進(jìn)一步滑落到下層牧草上，由于牧草草冠距地面距離小，削減了降雨的動(dòng)能，間接增加了土壤的抗沖能力，減弱了降雨對(duì)地表的沖擊。

作物截留地表徑流的能力與作物的覆蓋度和冠層截留有關(guān)。在相同降雨強(qiáng)度條件下，農(nóng)田植被覆蓋度是影響農(nóng)田地表徑流量和土壤侵蝕量的主要因素[20]，作物株高、冠幅不同，小區(qū)的覆蓋程度不同，對(duì)雨水的截留能力也不同[21]。該試驗(yàn)地種植的是桃樹(shù)、苜蓿和黑麥草，其中苜蓿和黑麥草覆蓋地表的能力較大。在9次收集到地表徑流的降雨過(guò)程中，隨著牧草的生長(zhǎng)，種植模式不同的小區(qū)，其農(nóng)田地表徑流污染物濃度隨著覆蓋度的變化呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)規(guī)律：在牧草生長(zhǎng)初期，牧草覆蓋度較低，不同種植模式的植被覆蓋率為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式>桃樹(shù)單作模式>黑麥草+苜蓿的牧草單作模式。6月27日降雨產(chǎn)流正處于牧草生長(zhǎng)初期，地表徑流產(chǎn)生量為黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)<桃樹(shù)單作<黑麥草+苜蓿，這是由于黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式和桃樹(shù)單作模式能保證在牧草生長(zhǎng)初期仍有桃樹(shù)樹(shù)冠遮蓋部分地表，遮擋降雨，削弱了雨滴對(duì)地面的濺蝕，起到了冠層截留的作用，減少了徑流的產(chǎn)生。隨著牧草的生長(zhǎng)，隨后的幾次降雨產(chǎn)流過(guò)程中，小區(qū)植被株高、葉面積指數(shù)和叢徑均在增大，不同種植模式的植被覆蓋率呈現(xiàn)黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)>黑麥草+苜蓿>桃樹(shù)單作，因此地表徑流產(chǎn)生量黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)<黑麥草+苜蓿<桃樹(shù)單作。黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式對(duì)地表徑流污染負(fù)荷削減作用強(qiáng)于黑麥草+苜蓿的牧草單作模式，分析其原因，可能是桃樹(shù)與牧草的相互作用，提高了養(yǎng)分利用率，增強(qiáng)了土層結(jié)固作用。

4.2 農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失規(guī)律

農(nóng)田土壤中N、P等養(yǎng)分的流失主要受降雨形成的地表徑流所驅(qū)動(dòng)，因此土壤養(yǎng)分的大量流失通常發(fā)生在強(qiáng)降雨條件下[22]。本次試驗(yàn)中農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失主要集中在4次強(qiáng)降雨過(guò)程中，這4次降雨中各小區(qū)產(chǎn)流量占桃樹(shù)單作模式徑流量的62.4%～72.8%，占黑麥草+苜蓿牧草單作模式徑流量的53.4%～61.0%，占黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式徑流量的60.8%～69.8%。因此，在強(qiáng)降雨條件下防止土壤侵蝕，減小降雨對(duì)地表的擾動(dòng)，控制強(qiáng)降雨條件下農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失，是有效削減農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施。SS流失量最大的兩次降雨發(fā)生在6月27日和8月13日，這兩次降雨徑流SS流失量占黑麥草+苜蓿模式徑流SS總產(chǎn)生量的69.0%、占桃樹(shù)單作模式總產(chǎn)生量的63.3%，占黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)模式總產(chǎn)生量的65.4%，說(shuō)明初次降雨產(chǎn)流和產(chǎn)流量較大時(shí)SS流失量較大。在相同降雨強(qiáng)度條件下，不同種植模式下的TN、TP、SS流失量均為間作<單作。6月27日和8月2日在弱降雨條件下TP流失量較大，原因是當(dāng)時(shí)試驗(yàn)地牧草種植不久，在土壤中施加基肥，土壤表層磷素相對(duì)富集，極易隨水體流失，說(shuō)明施肥時(shí)間對(duì)污染物的流失有明顯影響。8月22日黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式的SS流失量、TP流失量與黑麥草+苜蓿的牧草單作模式和桃樹(shù)單作模式差異很小，可能是由于試驗(yàn)地在8月20日進(jìn)行了人工拔除雜草，拔除雜草后的土壤表層土質(zhì)疏松，容易流失。

綜上分析可知，雨強(qiáng)、徑流量、植被覆蓋、施肥、人類活動(dòng)等因素都會(huì)影響農(nóng)田地表徑流污染物的流失，而合理的種植模式能提高作物對(duì)土壤水肥資源的利用率、改變作物根系的分布特征、增強(qiáng)作物根系對(duì)土壤的固結(jié)能力[23]，所以在采取合理種植模式的情況下，農(nóng)田地表徑流帶走的氮、磷等污染物也減少了。本試驗(yàn)成果對(duì)滇池流域面山墾殖區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制和湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化治理具有重要指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

在試驗(yàn)地設(shè)置黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式、黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹(shù)單作模式徑流小區(qū)，于2013年6月至9月進(jìn)行降雨徑流試驗(yàn)。結(jié)果表明，在9場(chǎng)降雨產(chǎn)流過(guò)程中，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)林草間作模式的地表徑流量為0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為1.83、0.17、3.37 mg/m2，其削減農(nóng)田地表徑流和徑流污染的效果最好；與黑麥草+苜蓿的牧草單作模式相比，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式削減地表徑流量、TN、TP和SS分別提高11.9%、27.1%、32.0%、20.0%；與桃樹(shù)單作模式相比，黑麥草+苜蓿+桃樹(shù)的林草間作模式削減地表徑流量、TN、TP和SS分別提高19.6%、32.0%、34.6%、17.8%。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)，湖泊主題滇池項(xiàng)目(2012ZX07102-003-04)

S157

A

1000-0941(2015)04-0046-04

陳澍(1989—)，女，河南洛陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染；通信作者陳建軍(1970—)，男，重慶市人，副教授，博士，從事農(nóng)業(yè)面源污染控制方面的研究。

2014-12-04